Capitolo 21 - Zanichelli online per la scuola

LO STUDENTE TROVA QUESTE PAGINE:
PAGINE PER L’INSEGNANTE
p su amaldipiu.zanichelli.it in PDF
p nell’eBook
IDEE PER UNA LEZIONE DIGITALE
PARAGRAFO
1. L’intensità della corrente
elettrica
CONTENUTO
DURATA (MINUTI)
ANIMAZIONE
2
L’intensità di corrente
ANIMAZIONE
1,5
Il generatore di tensione
2. I generatori di tensione
e i circuiti elettrici
IN LABORATORIO
2
Lampadine in serie e in parallelo
ESPERIMENTO VIRTUALE
4. I resistori in serie e in
parallelo
Circuiti e resistori
6. L’effetto Joule:
trasformazione di
energia elettrica in
energia interna
L’effetto Joule e la potenza dissipata
7. La forza elettromotrice
e la resistenza interna
di un generatore di
tensione
Gioca, misura, esercitati.
ANIMAZIONE
1,5
ANIMAZIONE
1,5
La forza elettromotrice
IN 3 MINUTI · Le leggi di Ohm
MAPPA INTERATTIVA
20 TEST
INTERATTIVI SU
CON FEEDBACK
«Hai sbagliato, perché…»
VERSO IL CLIL
AUDIO
FORMULAE IN ENGLISH
Current
Dq
I = Dt
The electric current in a medium equals the electric
charge transferred through a surface q over a time
interval t.
Ohm’s law
DV = IR
The potential difference across two points in a conductor equals the current in the conductor I multiplied by the electrical resistance R of the conductor.
206 PDF
21 LA CORRENTE ELETTRICA CONTINUA
QUESTIONS AND ANSWERS
AUDIO
What is conventional electric current?
An electric current is a flow of either positive or negative charges: in the Earth’s atmosphere there are currents of
positive ions moving down to Earth and negative ions up to the ionosphere; whilst in electric circuits, free electrons moving in the metal wires carry charge. Benjamin Franklin defined the direction of charge flow as from
wax to wool when rubbed together: from positive, a surplus of charge, to negative, a deficit of charge. Thus, conventional electric current in electric circuits describes the direction of flow of charge as though positive charge
carriers were responsible whilst the actual flow of electrons is termed the electron current.
Explain the role of the different parts of a simple battery.
A simple 1.5 V zinc-carbon battery consists of a graphite rod surrounded by a mixture of manganese dioxide
and carbon powder, all encased in a zinc container. Within the battery chemical energy is transformed into electrical energy through a redox reaction – the zinc in the container is oxidised releasing electrons and the manganese in the powder accepts electrons and is reduced. The zinc casing is the –ve terminal and the graphite rod is
the +ve terminal. Carbon takes no part in the reaction: the graphite terminal collects current and the carbon in
the powder increases the conductivity of the battery.
What constitutes a complete circuit?
There are six categories of parts from which electrical circuits can be constructed: an energy source to provide the
voltage; conductors, through which the current flows; insulators that confine the current to the required path; a
load (the wires, resistors, etc. connecting the terminals of the source) that converts the energy from the source;
a control device to open or close the circuit – like a switch; and a protection device to break the circuit in case of
a malfunction.
Explain the difference between ohmic and non-ohmic devices.
If, when a potential difference or voltage is applied across a device in a closed circuit, the current that flows
through the device is directly proportional to the applied voltage then the device conforms to Ohm’s law and is
described as ohmic. The constant of proportionality for the device is called its resistance and is a measure of the
extent to which the device impedes the flow of current. Some devices, such as filament bulbs, diodes and transistors, do not exhibit a linear relationship between voltage and current and such devices are called non-ohmic
or non-linear devices.
Are household circuits wired in series or in parallel?
If lights in a house were wired in series, each light when switched on in turn would share the voltage and the
lights would get dimmer. If one of the lights were to fail, the circuit would short and all the lights would go off.
For lights wired in parallel, the voltage drop across each light is the same and each light glows at its watt rating. If
one light fails, the other lights would not be affected. The same considerations, of devices working at the desired
voltage and the failure of one not affecting the others, means all household appliances are wired in parallel. One
element of the household circuit that has to be in series is the fuse or circuit breaker.
207 PDF
LO STUDENTE TROVA QUESTE PAGINE:
PAGINE PER L’INSEGNANTE
p su amaldipiu.zanichelli.it in PDF
p nell’eBook
PROBLEMI MODELLO, DOMANDE E PROBLEMI IN PIÙ
1
L’INTENSITÀ DELLA CORRENTE ELETTRICA
PROBLEMA MODELLO 1 CARICHE IN MOVIMENTO
Un filo è attraversato da una corrente elettrica pari a 5,0 10 3 A .
Calcola la carica totale che attraversa una sezione qualsiasi di filo ogni 10 s.
Calcola il numero n di elettroni che ogni secondo attraversano una sezione qualsiasi del filo.
DATI
INCOGNITE
Corrente elettrica: i = 5,0 10 3 A.
Tempo di transito delle cariche: t = 10 s.
Q=?
n=?
L’IDEA
Inverto la formula che esprime la definizione di intensità di corrente elettrica e calcolo la carica totale che attraversa la sezione del filo nel tempo richiesto, cioè Q = i t.
Calcolo il numero di portatori di carica ricordando la carica elettrica di un elettrone, cioè 1,6022 10 19 C.
LA SOLUZIONE
Calcolo della carica che attraversa la sezione del filo.
Q = i t = (5,0 10 3 A) (10 s) = 5,0
10 2 C
Calcolo del numero di elettroni che attraversano la sezione del filo.
La relazione che lega la carica totale al numero di portatori di carica è:
DQ
5,0 # 10-2 C
n= e =
= 3,1 # 1017
1,6022 # 10-19 C
3
Un filo di tungsteno è percorso da una corrente di 0,35 A.
La carica che passa attraverso una qualunque sezione del
filo è di 4,20 C.
Calcola il tempo necessario perché la carica data attraversi la sezione del filo.
4
Calcola il numero di elettroni che attraversano una sezione del filo.
[12 s]
3
18
[6,0 mA; 2,3 1018 elettroni al minuto]
LA PRIMA LEGGE DI OHM
Una batteria che mantiene una differenza di potenziale
di 4,5 V è collegata a un resistore e l’intensità di corrente
che fluisce nel circuito vale 0,060 A.
Calcola il valore della resistenza del resistore.
[75 ]
19
Attraverso la sezione di un filo di rame passa in ogni minuto la quantità di carica Q = 0,36 C.
Calcola l’intensità di corrente che attraversa il filo.
A conductor has an electric resistance of 12 and
the electric current that flows through it has a value
of 20 mA.
208 PDF
What is the value of the potential difference between
its ends.
[2,4 10 1 V]
20
Un conduttore di resistenza 2,0 106 è sottoposto a
una differenza di potenziale di 5,0 102 V.
Calcola l’intensità di corrente che percorre il conduttore.
[2,5 10 4 A]
21 LA CORRENTE ELETTRICA CONTINUA
4
I RESISTORI IN SERIE E IN PARALLELO
PROBLEMA MODELLO 3 CIRCUITO CON RESISTENZE IN PARALLELO
Un circuito contiene una batteria da 18,0 V e due resistori collegati in parallelo.
Le loro resistenze sono rispettivamente uguali a 400 e a 600 .
Quanto vale l’intensità di corrente erogata dal generatore?
Calcola le correnti che circolano nei singoli resistori.
DATI
R1
DV
R2
INCOGNITE
Differenza di potenziale della batteria: V = 18 V
Resistenza del primo resistore: R1 = 400
Resistenza del secondo resistore: R2 = 600
i=?
i1 = ?
i2 = ?
L’IDEA
Per prima cosa, calcolo la resistenza equivalente del circuito, notando che i due resistori sono in parallelo, cioè
R1 R 2
Req = R +
R2 .
1
Poi applico la prima legge di Ohm per determinare la corrente totale che esce dal generatore e che è la stessa che
DV
attraversa la resistenza equivalente i = R .
eq
Per calcolare le correnti che scorrono nelle singole resistenze, osservo che, poiché i resistori sono disposti in parallelo, ognuno di essi è sottoposto alla stessa differenza di potenziale.
LA SOLUZIONE
Calcolo della corrente totale che scorre nel circuito.
Il circuito dato è equivalente a:
DV
quindi:
Otteniamo quindi:
Req
R1 R 2
(400 ) # (600 )
1
1
1
Req = R1 + R 2 & Req = R1 + R 2 = (400 ) + (600 ) = 240
18,0 V
DV
i = R = 240 = 7,50 # 10-2 A
eq
Calcolo dell’intensità di corrente che attraversa i singoli resistori.
Poiché sono in parallelo, i due resistori sono sottoposti alla stessa differenza di potenziale, che nel nostro circuito
è pari alla tensione fornita dal generatore.
Quindi si trova
DV
18,0 V
i1 = R = 400
= 4,5 # 10-2 A
1
e
DV
18,0 V
i 2 = R = 600
= 3,0 # 10-2 A .
2
Le correnti nei due rami sono inversamente proporzionali alle corrispondenti resistenze: dove la resistenza è minore, l’intensità di corrente è maggiore.
209 PDF
LO STUDENTE TROVA QUESTE PAGINE:
PAGINE PER L’INSEGNANTE
34
p su amaldipiu.zanichelli.it in PDF
p nell’eBook
In un circuito sono inseriti, in serie, una batteria da 6,0 V
e tre resistori con resistenze rispettivamente uguali
a 60 , 80 , e 50 .
Quanto vale l’intensità di corrente?
variabile R x che può assumere valori compresi fra 0
e 500 . Il generatore mantiene una differenza di potenziale di 220 V.
C
[32 mA]
35
Rx
Un circuito contiene una batteria da 12,0 V e due resistori collegati in parallelo. Le loro resistenze sono rispettivamente uguali a 150 e 300 .
Quanto vale l’intensità di corrente erogata dal generatore?
+
V
R1
-
[0,12 A]
36
Per quale valore di R x l’intensità di corrente che attraversa il circuito è minima?
Nel circuito della figura, che semplifica il principio del
dimmer in una piantana da appartamento, la resistenza R1 vale 250 ed è collegata in serie a una resistenza
Quanto vale la minima intensità di corrente che può
attraversare il circuito?
[ R x = 500
5
50
; 0,338 A]
LE LEGGI DI KIRCHHOFF
Nel circuito della figura a fianco si ha DV1 = 10 V,
DV2 = 15 V, R1 = 20 , R 2 = 60 e R3 = 40 .
Determina il verso e il valore di tutte le correnti presenti nel circuito.
R1
A
B
[i1 = 2,9 10 1 A, i2 = 6,8 10 2 A, i3 = 2,3 10 1 A]
- +
R2
V1
R3
- +
V2
6
60
LA TRASFORMAZIONE DELL’ENERGIA ELETTRICA
Un filo di ferro, attraversato da una corrente di 0,28 A
dissipa una potenza di 28 mW.
Quanto vale la sua resistenza?
61
Un resistore dissipa una potenza di 15 W.
Quanti kilowattora consuma in 24 ore?
Quanto vale questa energia, espressa in joule?
[0,36 ]
7
[0,36 kWh; 1,3 MJ]
LA FORZA ELETTROMOTRICE
PROBLEMA MODELLO 7 DALL’IDEALE AL REALE!
La batteria di un’automobile ha una forza elettromotrice dichiarata di 12 V. L’accendisigari eroga una potenza
di 40 W e quando è in funzione è attraversato da una corrente di 3,6 A.
Calcola la resistenza R del circuito alimentato dalla batteria e la resistenza interna r della batteria.
Quanto vale la differenza di potenziale DV effettivamente erogata dalla batteria?
DATI
Forza elettromotrice: fem = 12 V
Potenza erogata: P = 40 W
Corrente: i = 3,6 A
210 PDF
INCOGNITE
R=?
V=?
21 LA CORRENTE ELETTRICA CONTINUA
L’IDEA
Schematizzo la batteria reale come una batteria ideale più una resistenza interna in serie.
Dalla formula della potenza P = R i2 , calcolo la resistenza del circuito.
fem
Dalla formula i = R + r ricavo la resistenza interna della batteria.
LA SOLUZIONE
Calcolo la resistenza del circuito.
R=
P
40 W
=
= 3,1
i2
^3,6 Ah2
Calcolo la resistenza interna della batteria
fem
Inverto la formula i = R + r per ricavare la resistenza interna r cioè:
fem
12 V
r = i - R = 3,6 A - 3,1 = 0,2
Calcolo la differenza di potenziale ai capi dell’accendisigari.
DV = Ri = ^3,1 h # ^3,6 Ah = 11 V
A causa della resistenza interna r, la differenza di potenziale DV prodotta da un alimentatore reale è minore della sua forza elettromotrice fem .
72
Ai capi di una batteria risulta una differenza di potenziale di 12,0 V se è misurata a circuito aperto e 11,8 V se
è misurata quando il circuito è chiuso su una resistenza
R = 400 .
Quanto vale la resistenza interna r della pila?
[7
]
PROBLEMI GENERALI
11
In una resistenza di R = 1 circola una corrente di I = 1 A.
Tale resistenza è immersa in 1 g di acqua per t = 100 s. Si
calcoli l’aumento di temperatura dell’acqua, ricordando
che il calore specifico dell’acqua è c = 4186 J/(kg · K).
R1
R2
(Esame di Fisica, Corso di laurea in Biotecnologie, Università degli Studi di Milano, 2002/2003)
+
[2 10 °C]
12
V
Una lampada a filamento dissipa una potenza di 200 W
quando è alimentata da una tensione di rete, pari a 220 V.
Calcolare la corrente che attraversa il filamento.
R5
R3
R6
R4
R7
-
(Esame di Fisica, Corso di laurea in Scienze biologiche, Università di
Genova, 2004/2005)
Determina la resistenza equivalente del circuito.
[0,909A]
Determina la corrente totale che lo attraversa.
13
Nel circuito della figura si hanno i seguenti valori delle resistenze: R1 = 5,0 , R2 = R3 = 10 , R4 = R5 = 20 ,
R6 = 40 , R7 = 30 . La differenza di potenziale ai capi
del generatore è 10 V.
Determina la differenza di potenziale ai capi di R7.
[20 ; 0,50 A; 7,5 V]
14
Una lampada è alimentata da un generatore di tensione
da 15 V, con resistenza interna trascurabile. La resistenza della lampada vale 10 . In un secondo momento, una
211 PDF
LO STUDENTE TROVA QUESTE PAGINE:
PAGINE PER L’INSEGNANTE
seconda lampadina è inserita in serie alla prima e l’intensità di corrente diminuisce fino al valore 1,0 A.
Calcola l’intensità di corrente che attraversa la lampada prima che venga inserita la seconda lampadina.
p su amaldipiu.zanichelli.it in PDF
p nell’eBook
15
Quanto vale la resistenza della seconda lampadina?
Supponi che la seconda lampadina sia inserita in parallelo invece che in serie. Quanto vale adesso l’intensità di corrente attraverso la prima lampada?
In un cantiere una gru solleva carichi da 50 kg ciascuno
a 20 m di altezza. Per un guasto del sistema elettrico è necessario ricorrere a un motore in corrente continua alimentato da una batteria di automobile da 12 V e 40 Ah
(cioè in grado di fornire una corrente di 40 A per un’ora). Per sollevare ciascun carico la gru impiega 1 minuto.
Il rendimento del sistema è del 60%. Calcola:
la potenza necessaria per sollevare ciascun carico.
la quantità di carichi che la gru riesce a sollevare prima
che si esaurisca la batteria.
[1,5 A; 5,0 V ; 1,5 A]
[1,6 102 W; 1,1 102]
TEST
10
The supply voltage to a room is 120 V. The resistance of
the lead wires is 6 . A 60 W bulb is already switched on.
What is the decrease of voltage across the bulb, when a
240 W heater is switched on in parallel to the bulb?
A 2.9 Volt
C 10.04 Volt
B
D
13.3 Volt
zero volt
Joint Entrance Examination for Indian
Institutes of Technology (JEE) – 2013
11
13
14
Which graph correctly shows how the resistance (R) varies with applied voltage (V) for a resistor at constant
temperature?
R
R
B
un’iperbole.
C
una retta che non passa per l’origine.
D
una retta che passa per l’origine.
Un resistore presenta quattro fasce colorate, rispettivamente rosso, verde, arancione e oro. Calcola quanto vale
la resistenza e la sua incertezza.
A 25
e 1,25
B
250
C
2500
D
25000
15
0
0
0
V
0
V
R
R
e 125
e 1250
Quale delle seguenti affermazioni è esatta?
A 1A=1
1V
B
1V=1
1A
C
1
1A
D
1=1
D
C
16
0
0
0
V
R
0
V
F
0
0
0
V
0
V
BioMedical Admission Test BMAT – 2011
17
D
Un filo di metallo non è un resistore.
C
un singolo resistore del circuito.
D
un tratto chiuso di circuito che non contiene alcun
generatore di tensione.
Un circuito ha una resistenza equivalente data dalla forRR
mula R = R1 + R 2+ R3 . Lo schema del circuito è:
2
3
R1
R2
DV
A
212 PDF
1A
un punto in cui convergono più conduttori.
Un resistore è sempre un conduttore ohmico.
Una pila è un resistore.
1V
B
Stabilisci quale delle seguenti affermazioni è corretta.
A Un conduttore ohmico è sempre un resistore.
C
=1V
Una maglia di un circuito è:
A un tratto chiuso di circuito.
R
E
B
e 12,5
B
A
12
La curva caratteristica di un conduttore ohmico è:
A una parabola.
R3
21 LA CORRENTE ELETTRICA CONTINUA
23
R2
R1
R3
DV
B
R3
R1
R2
Quando due resistenze elettriche (rispettivamente uguali a R e 4R) sono collegate in serie, la resistenza equivalente della combinazione è pari a 50 . Se le medesime
resistenze fossero collegate in parallelo, quale sarebbe la
resistenza equivalente?
A 8
B
10
C
12
D
32
E
50
Test di ammissione Medicina e Chirurgia 2014/2015
DV
24
C
R2
R3
DV
R1
Una resistenza R1 = 5 e una seconda resistenza R2 ignota, collegate in serie, dissipano 10 W se collegate a un generatore di tensione continua da 20 V. Quanto vale R2 ?
A 35
B
15
C
circa 3,3
D
circa 5,7
E
1
D
18
Le resistenze R1 e R2, con R1<R2, sono collegate in serie.
La resistenza equivalente R ha un valore tale che:
A R < R1 < R2
C R2 > R > R1
B
19
Test di ammissione Veterinaria 2012/2013
D
R > R2 > R1
R1 < R < R2
Un joule è uguale a:
A 2,78 10–7 kWh
C
2,78
10–7 kWh
D
3,6
B
2,77
25
10–6 kWh
106 kWh
Two resistors R1 and R2 are connected in series with a potential difference V across them. The power dissipated by
the resistor R1 is:
A V2R1/(R1 + R2)2
B
V2R22/(R1(R1 + R2)2)
C
V2R1
(R1 + R2)2
D
V2R22
(R1(R1 + R2)2)
Oxford University - Physics Aptitude Test (Pat) 2010
20
Un resistore da 80 è collegato a un generatore reale di
tensione con una forza elettromotrice di 15 V e una resistenza interna di 10 . Quanta corrente eroga?
A 1,7 10–1 A
C 1,7 102 A
B
D
1,7 A
26
The circuit shows five identical filament bulbs designed
to work at 12 V connected in a circuit with two switches.
Switch P is initially open and switch Q is initially closed.
1350 A
12V
21
Sia i1 l’intensità di corrente che entra in una lampadina
ad incandescenza di potenza W e i2 l’intensità della corrente che esce. Qual è la relazione fra i1 e i2 ?
A i1 = i2 W
D i1 = i2 W/2
B
i1 = i2/W
C
i1 = i2
E
i1 = 2 i2/W
swich P
bulb X
bulb Y
Test di ammissione Professioni Sanitarie 2012/2013
22
Cinque lampadine da 25 ohm sono collegate in serie. La
resistenza totale del circuito è:
A 6,1
C 500
E 125
B
5,0
D
swich Q
550
Test di ammissione Professioni Sanitarie 2013/2014
213 PDF
LO STUDENTE TROVA QUESTE PAGINE:
PAGINE PER L’INSEGNANTE
Switch P is then closed and switch Q is opened. Compared with their brightness before these changes were
made, how has the brightness of bulbs X and Y changed?
BULB X
BULB Y
A
brighter
brighter
B
brighter
dimmer
C
dimmer
brighter
D
dimmer
dimmer
E
unchanged
brighter
F
brighter
unchanged
BioMedical Admission Test BMAT – 2010
27
The circuit shows three lamps and two ammeters in a circuit.
A ammeter 1
lamp x
A
ammeter 2
28
The diagram shows three appropriate meters, P, Q and R,
connected in the conventional way in a circuit.The switch is initially open.
P
Q
R
The switch is now closed. What happens to the readings
on each meter?
A
P decreases, Q decreases, R decreases
B
P decreases, Q decreases, R increases
C
P decreases, Q increases, R decreases
D
P decreases, Q increases, R increases
E
P increases, Q decreases, R decreases
F
P increases, Q increases, R increases
G
P increases, Q decreases, R increases
H
P increases, Q increases, R decreases
BioMedical Admission Test BMAT – 2013
Lamp X ‘blows’ (the filament breaks). What happens to
the reading on each ammeter, and to the total resistance
of the circuit?
READING ON
AMMETER 1
READING ON
AMMETER 2
TOTAL
RESISTANCE
OF CIRCUIT
A
decreases
decreases
decreases
B
decreases
decreases
increases
C
decreases
increases
decreases
D
decreases
increases
increases
E
increases
decreases
decreases
F
increases
decreases
increases
G
increases
increases
decreases
H
increases
increases
increases
BioMedical Admission Test BMAT – 2012
214 PDF
p su amaldipiu.zanichelli.it in PDF
p nell’eBook
21 LA CORRENTE ELETTRICA CONTINUA
215 PDF